本發(fā)明納米摩擦發(fā)電傳感技術(shù)、膜材料制造領(lǐng)域，具體為一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技對(duì)可持續(xù)能源與高效傳感器需求的激增，摩擦納米發(fā)電作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過利用兩種不同材料之間接觸分離或滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦電荷效應(yīng)來收集機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換方式相比，teng具有高電壓低電流、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、環(huán)境友好以及能夠?qū)⑷粘Ｉ钪械奈⑿C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能等優(yōu)點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了新的能源解決方案。

2、然而，傳統(tǒng)材料在力學(xué)強(qiáng)度、摩擦性能及電荷保持上的不足限制了其應(yīng)用潛力。例如在高強(qiáng)度或頻繁的機(jī)械應(yīng)力下，許多傳統(tǒng)材料容易發(fā)生疲勞斷裂或形變，導(dǎo)致發(fā)電效率下降甚至設(shè)備損壞。理想的teng材料應(yīng)具有高摩擦系數(shù)以產(chǎn)生更多電荷，同時(shí)還應(yīng)具備良好的耐磨性以延長(zhǎng)使用壽命。

3、羥乙基纖維素(hec)因生物相容性佳、加工性強(qiáng)及成膜性能優(yōu)異，成為高性能teng薄膜的潛力材料，能提升摩擦起電性能與耐用性。聚偏二氟乙烯(pvdf)作為電荷保留相，高介電常數(shù)與壓電效應(yīng)顯著，增強(qiáng)teng電荷存儲(chǔ)與電輸出性能，同時(shí)絕緣性減少電荷泄露，提升轉(zhuǎn)換效率。

4、本發(fā)明創(chuàng)新融合hec與pvdf優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)三層結(jié)構(gòu)傳感材料：hec薄膜為上下層，pvdf薄膜為中間層，形成三維插層結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)不僅發(fā)揮hec摩擦起電與pvdf高介電特性，還通過多層復(fù)合增強(qiáng)機(jī)械與電學(xué)性能，為高性能teng器件制備開辟新途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)材料在力學(xué)強(qiáng)度、摩擦性能及電荷保持上不足的問題，本發(fā)明提供一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料制備方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料，包括三層結(jié)構(gòu)，由上至下分別為上層羥乙基纖維素薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜和下層羥乙基纖維素薄膜。

4、一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料制備方法，包括以下步驟：

5、步驟1，制備羥乙基纖維素和芳綸納米纖維混合分散液和含有聚偏二氟乙烯的紡絲液；

6、步驟2，羥乙基纖維素和芳綸納米纖維混合分散液采用流延法結(jié)合干燥的方式獲得下層羥乙基纖維素薄膜；

7、含有聚偏二氟乙烯的紡絲液通過靜電紡絲紡織獲得聚偏二氟乙烯薄膜；

8、步驟3，將聚偏二氟乙烯薄膜置于經(jīng)干燥后的下層羥乙基纖維素薄膜的上表面；然后，在聚偏二氟乙烯薄膜的上表面，將羥乙基纖維素和芳綸納米纖維混合分散液采用流延法制備濕的上層羥乙基纖維素薄膜；之后經(jīng)干燥處理獲得三維插層的hec-pvdf-hec高摩擦電壓傳感材料。

9、優(yōu)選的，步驟1中，羥乙基纖維素和芳綸納米纖維混合分散液的制備方法具體如下：在45～55℃下，將2～3g羥乙基纖維素粉末在200～300ml芳綸納米纖維分散液中溶解20～30min，得到羥乙基纖維素和芳綸納米纖維混合分散液；其中，羥乙基纖維素的粘度是2600～3300mpa.s，羥乙基纖維素分散液的濃度為0.010～0.015g/ml。

10、優(yōu)選的，芳綸納米纖維混合分散液的制備如下：首先將堿性溶液、對(duì)位芳綸纖維和二甲基亞砜攪拌混合得到分散液a；其中，對(duì)位芳綸纖維和二甲基亞砜的質(zhì)量比為2～3：200～300，堿液的溶質(zhì)為氫氧化鉀，堿性溶液中溶質(zhì)的濃度為0.3～0.6g/ml，堿性溶液和對(duì)位芳綸纖維的比例為1～2ml：2～3g；

11、將分散液a均勻分散至去離子水中，然后靜置過濾得到對(duì)位芳綸納米纖維分散液b；其中，水和分散液a的體積比為1000～1500:50～100，對(duì)位芳綸納米纖維分散液的濃度為1％～1.5％。

12、優(yōu)選的，步驟1中，含有聚偏二氟乙烯的紡絲液的制備如下：將聚偏二氟乙烯溶解于n，n-二甲基甲酰胺溶液中即可獲得紡絲液。

13、優(yōu)選的，聚偏二氟乙烯和n，n-二甲基甲酰胺溶液的配比為4～5g：7～9ml，溶解溫度為60～70℃，轉(zhuǎn)速為100～200r/min，時(shí)間為2～3h。

14、優(yōu)選的，步驟2中，制備下層羥乙基纖維素薄膜過程中，干燥時(shí)的溫度為60～70℃，時(shí)間為10～12h，干燥后下層羥乙基纖維素薄膜的成膜厚度為0.06～0.08mm。

15、優(yōu)選的，步驟2中，靜電紡絲過程中，電壓為15～17kv，溫度為35～45℃，濕度為65％～75％，紡絲液噴絲速率為0.008～0.010ml/min，時(shí)間為6～8h。

16、優(yōu)選的，步驟3中，干燥處理時(shí)，溫度為60～70℃，時(shí)間為10～12h，干燥后上層羥乙基纖維素薄膜的成膜厚度為0.06～0.08mm。

17、一種由所述的高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料制備的柵狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電器件。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

19、首先，本發(fā)明一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料采用相位定向組裝策略制備，通過精心設(shè)計(jì)的三維插層(hec-pvdf-hec)將寬帶隙電荷保留相聚偏二氟乙烯靜電紡絲薄膜引入摩擦相羥乙基纖維素薄膜中。該三維插層(hec-pvdf-hec)結(jié)構(gòu)通過兩層羥乙基纖維素薄膜(hec)夾持一層聚偏二氟乙烯薄膜(pvdf)，實(shí)現(xiàn)了靜電耦合與電荷儲(chǔ)存的有機(jī)結(jié)合，其中，hec層提供了良好的靜電耦合感應(yīng)和摩擦發(fā)電能力，pvdf層則作為電荷保留相，有效提升了電荷的積累與傳輸效率。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還優(yōu)化了電荷傳輸與保留路徑，顯著提升了納米摩擦發(fā)電的效率與穩(wěn)定性，還提高了納米摩擦發(fā)電機(jī)的輸出穩(wěn)定性和靈敏度。

20、其次，本發(fā)明經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選羥乙基纖維素(hec)作為接觸摩擦層，其優(yōu)勢(shì)在于(1)良好的溶解性和非離子性：hec能夠水系溶劑中溶解和分散，且成本低來源廣，便于規(guī)?；庸どa(chǎn)與應(yīng)用；(2)羥乙基纖維素(hec)由纖維素主鏈和羥乙基側(cè)鏈結(jié)構(gòu)組成，通過纖維素與環(huán)氧乙烷(或氯乙醇)經(jīng)過醚化反應(yīng)制得的水溶性高分子化合物，表面富含羥基，羥基有助于靜電耦合感應(yīng)中吸引電荷轉(zhuǎn)移，具有制備高摩擦電壓正極材料的先天優(yōu)勢(shì)；(3)hec具備良好的生物相容性和可降解性，可降解，可再生，綠色環(huán)保，這使得基于hec的納米摩擦發(fā)電傳感材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如可穿戴醫(yī)療設(shè)備中，具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

21、緊接著，利用聚偏二氟乙烯(pvdf)制備納米摩擦發(fā)電傳感的正極材料，在電荷保留相方面其優(yōu)勢(shì)在于(1)pvdf獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和偶極子排列，使得pvdf在受到外力作用時(shí)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，能更有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并在摩擦過程中產(chǎn)生和保留更多的電荷；(2)pvdf分子鏈中的氟原子具有強(qiáng)大的電負(fù)性，與碳原子形成的c-f鍵具有高度的穩(wěn)定性和極性。這種極性使得pvdf分子在受到外力作用時(shí)能夠產(chǎn)生偶極子，并在材料內(nèi)部形成穩(wěn)定的電場(chǎng)，有助于電荷的積累和穩(wěn)定。(3)pvdf能夠抵抗多種環(huán)境因素(如濕度、溫度、酸堿等)的侵蝕，使得pvdf基正極材料在惡劣環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的電荷保留性能，延長(zhǎng)納米摩擦發(fā)電傳感器的使用壽命。

22、進(jìn)一步的，引入芳綸納米纖維制備納米摩擦發(fā)電傳感的正極材料，其優(yōu)勢(shì)在于(1)優(yōu)異的力學(xué)性能：芳綸納米纖維因苯環(huán)和酰胺基組成的大分子鏈呈現(xiàn)線性剛性伸直鏈構(gòu)型，在纖維受理時(shí)不易變形，而具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，與hec結(jié)合形成復(fù)合薄膜，通過應(yīng)力傳遞，提升材料的整體力學(xué)性能與摩擦性能；(2)芳綸納米纖維具有耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，在較寬的溫度范圍和惡劣的化學(xué)環(huán)境下保持穩(wěn)定的摩擦發(fā)電性能。(3)芳綸納米纖維可以與多種基體材料形成良好的界面結(jié)合，有助于減少電荷在界面處的泄露和損失，提升正極材料的摩擦發(fā)電和電荷保留性能。

23、進(jìn)一步的，本發(fā)明一種高摩擦電壓羥乙基纖維素傳感材料制備方法通過溶解共混的方式在hec基體中引入芳綸納米纖維，顯著提升了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，納米纖維的加入還增加了材料的比表面積，有利于摩擦電荷的生成與轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步提高了摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。

24、進(jìn)一步的，本發(fā)明采用流延法制備hec薄膜，工藝精確控制干燥溫度和時(shí)間，具有可規(guī)模化方大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在制備pvdf薄膜時(shí)，本發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)，優(yōu)化了紡絲液配比、紡絲電壓、滾筒旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，制備的pvdf薄膜具有寬帶隙和高比表面積的優(yōu)勢(shì)，為制備高性能的納米摩擦發(fā)電傳感正極材料提供了有力保障。